Лекція 4 Калійний режим ґрунту

1. Характеристика основних типів ґрунтів за запасами калію.

Калій є одним із шести елементів (кисень, кремній, алюміній. залізо, кальцій, калій), які складають 96% усіх хімічних речовин ґрунту. Його вміст в земній корі складає біля 2,5%. У ґрунті, на відміну від ґрунтоутворюючих порід, калій знаходиться не лише в складі мінеральних структур, а входить також до складного органо-мінерального колоїдного комплексу – решток рослинного, тваринного та мікробіологічного походження. У ґрунтовому профілі стан і режим калію тісно пов’язані з мінералогічним складом ґрунтоутворюючих порід, їхнім гранулометричним складом, а також зональними умовами та характером землекористування.

Вміст валового калію в ґрунтах України в орному шарі коливається від 0,1% в торф’яних ґрунтах до 2,3-2,4% в чорноземах звичайних і південних (табл.1). Найбільше калію міститься в глинистих чорноземних ґрунтах. У засолених ґрунтах його вміст значно виший, тому досить часто немає потреби у застосуванні на них калійних добрив. У ґрунтах легкого гранулометричного складу (піщаних і супіщаних) вміст калію значно менший. Найбідніші на калій торф'яні ґрунти, де вміст цього елемента коливається від 0,03 до 0,15 %. У ґрунтах калій зазвичай перебуває в недоступних для рослин формах.

Характерною особливістю є чітко виявлена зональність вмісту валового калію, яка визначається, головним чином, гранулометричним складом ґрунтоутворюючої породи: він зростає від дерново-підзолистих глинисто-піщаних ґрунтів Полісся до чорноземів південних і темно-каштанових важко суглинкових і глинистих ґрунтів. Особливе місце за вмістом валового калію займають торф’яні ґрунти, в яких він не перевищує 1,11-0,28%.

Таблиця 1. Вміст валового калію в ґрунтах Україні

(П.П. Левенець, А. К. Воробйов)

Розподіл валового калію у профілі головних типів ґрунтів рівномірний, особливо коли ґрунтоутворюючою породою є лес і лесовидні суглинки. Деяке нагромадження валового калію відмічається в ілювіальних горизонтах, особливо в дерново-підзолистих супіщаних та глинисто-піщаних ґрунтах, а також в ясно-сірих і сірих лісових ґрунтах. У дерново-підзолистих ґрунтах легкого гранулометричного кладу орний шар характеризується значно нижчим вмістом валового калію порівняно з ґрунтоутворюючою породою.

Таблиця 2. Вміст валового калію в шарі 0-20 см торф'яних ґрунтів

(С.Т. Вознюк, Р .С Трускавецкий)

Порівняно з азотом і фосфором ґрунти України відрізняються запасами валового калію в орному шарі (табл. 3) – від 24 до 51 т/га, що в 10-12 раз перевищує відповідні показники для азоту й фосфору. Характеристика головних типів ґрунтів за запасами калію в орному і метровому шарах відображує відмічені вище зональні особливості ґрунтів: вони зростають від дерново-підзолистих ґрунтів Полісся до чорноземів звичайних і південних степової зони, для яких значення досягають 340-350 тонн на гектар у метровому шарі.

 Таблиця 3. Валові запаси поживних речовин у найбільш поширених ґрунтах, т/га (Б.С. Носко та ін.)

2. Калійний фонд ґрунту

Калій у ґрунтах знаходиться в таких формах: 1) водорозчинний; 2) обмінний, 3) важкообмінний або резервний калій ґрунту; 4) необмінний, в т.ч. фіксований калій; 5) калій нерозчинних алюмосилікатів; 6) калій органічної частини ґрунту (мікробіота, органічні рештки).

Загальний вміст калію в ґрунтах коливається від 0,5 до 3 %, що у 10–15 разів перевищує запаси азоту і фосфору. В ґрунті калій знаходиться переважно в мінеральній частині: 1) у складі кристалічної гратки первинних і вторинних мінералів; 2) в обмінно і необмінно поглиненому стані в колоїдних часточках; 3) у складі пожнивно-кореневих решток і мікроорганізмів; 4) у вигляді мінеральних солей ґрунтового розчину.

2.1. Валовий, або загальний калій

    Валовий, або загальний калій об'єднує у своєму складі різні форми калійних сполук, які класифікують: 1) водорозчинний калій (легко доступний рослинам); 2) обмінний калій (добре доступний рослинам); 3) рухомий калій (сума водорозчинного й обмінного калію), вилучається з ґрунту сольовими і кислотними витяжками; 4) необмінний гідролізований калій (важко обмінний, інертний або резервний), додатково вилучається з ґрунту киплячим розчином сильної кислоти (0,2 н або 10%-м розчином соляної кислоти) і є найближчим резервом для живлення рослин; 5) кислоторозчинний калій, об'єднує всі чотири попередні форми і вилучається з ґрунту киплячим розчином сильної кислоти; 6) необмінний калій (різниця між вмістом валового і кислоторозчинного калію).

Вміст обмінного і необмінного гідролізованого калію розраховують за різницею між вмістами рухомого і водорозчинного калію, вміст необмінного гідролізованого – за різницею між вмістами кислоторозчинного і рухомого.

2.2. Водорозчинний калій

Слайд 8

Водорозчинний калій – це калій водорозчинних солей мінеральних і органічних кислот, а також такий, що переходить у водорозчинну форму з ҐВК і калієвмісних мінералів під час взаємодії з водою. Водорозчинного калію в ґрунтах дуже мало, його концентрація залежить від ступеня насиченості самого ґрунту калієм і від загальної концентрації солей у ґрунтовому розчині. Його вміст у ґрунтах невисокий (5–20 мг/кг) за винятком засолених, де він досягає 50 мг/кг і більше. Водорозчинний калій найліпше і найлегше засвоюється рослинами, але його вміст не повністю відображає умови калійного живлення. За вмістом водорозчинного калію ґрунти поділяють на малозабезпечені (< 10 мг/кг), середньозабезпечені (10–30) і високозабезпечені (> 30 мг/кг).

Між водорозчинним і обмінним калієм існує рівновага: при засвоєнні калію рослинами кількість його обмінних форм зменшується.

2.3. Обмінний калій

      Обмінний калій – основний показник забезпеченості ґрунту доступним для рослин калієм. Він представлений іонами калію, що знаходяться на поверхні негативно заряджених колоїдних часточок ґрунту. Вміст обмінного калію характеризує генетичні особливості ґрунту та інтенсивність антропогенної дії. В агрохімічній практиці за його вмістом встановлюють забезпеченість ґрунту калієм. Вміст обмінного калію в некарбонатних ґрунтах визначають за методом Маслової, в карбонатах – за методом Протасова.

На практиці визначають вміст рухомих сполук калію в ґрунтах найчастіше визначають за методами Кірсанова (0,2 н розчин НС1), Чирікова (0,5 н розчин СН3СООН), Мачигіна (1%-й розчин (NH4)2CO3).

  Вміст у ґрунті рухомого калію, який є основною формою для живлення рослин, становить лише 0,5–2 % валового. Методами Кірсанова, Чирикова і Мачигіна можна визначити рухомі сполуки фосфору і калію в одній витяжці.

2.4. Необмінний калій

Необмінний калій. Майже половину валового вмісту калію становить калій, здатний поступово переходити в обмінні форми.

К. К. Гедройц ще в 1912 р. за допомогою вегетаційних дослідів довів, що після видалення обмінного калію з ґрунту рослини нормально розвиваються і не виявляють явних ознак його нестачі. Це означає, що запаси обмінного калію поповнюються за рахунок необмінних його форм. У ґрунті міститься близько 10–15 % водорозчинної форми калійних сполук відносно обмінної форми, 5– 25 – обмінної відносно кислоторозчинної і 2–15 % кислоторозчинного калію відносно валового.

2.5. Калій органічних речовин.

Калій органічних речовин. Оскільки калій не утворює в живих організмах стійких органічних сполук, його кількість в органічних речовинах ґрунту незначна. Ця форма калію переважно міститься у верхніх шарах ґрунту в складі свіжої біомаси; вона недовговічна, бо в процесі її мінералізації калій швидко переходить у ґрунтовий розчин.

2.6. Калій мінерального скелета

Калій мінерального скелета повільно переходить в обмінну й розчинну форми і тому не має особливого значення в живленні рослин. Переважна частина калію в ґрунті міститься в кристалічних гратках польових шпатів (ортоклаз, мікроклін), слюд (мусковіт, біотит, флогопіт) та ілітів. Його вміст майже повністю залежить від наявності в ґрунтотворних породах калієвмісних мінералів.

Головні калійні мінерали промислового значення

3. Забезпеченість ґрунтів калієм

Найліпшим джерелом живлення рослин є розчинні солі калію. Найближчий резерв живлення – гідрослюди, вермикуліти, вторинні хлорити, монтморилоніт, необмінні катіони, потенційний резерв – польові шпати, слюди, піроксени і первинні хлорити.

Найбільше калію міститься в глинистих чорноземних ґрунтах. У засолених ґрунтах його вміст значно виший, тому досить часто немає потреби у застосуванні на них калійних добрив. У ґрунтах легкого гранулометричного складу (піщаних і супіщаних) вміст калію значно менший. Найбідніші на калій торф'яні ґрунти, де вміст цього елемента коливається від 0,03 до 0,15 %. У ґрунтах калій зазвичай перебуває в недоступних для рослин формах.

Таблиця. Групування ґрунтів за вмістом рухомих сполук калію та здатністю забезпечувати ним сільськогосподарські культури

Між формами калію в ґрунті встановлюється динамічна (рухома) рівновага

Калій водорозчинний ^ Калій обмінний – Калій необмінний.

 Вміст обмінного калію в ґрунті називають фактором ємності, а і його концентрацію у водній або слабосольовій витяжці – ступенем рухомості, або фактор інтенсивності. Забезпеченість ґрунтів калієм встановлюють за вмістом обмінного калію. Вміст обмінного калію в орному шарі ґрунтів значною мірою відтворює природні  зональні особливості і тісно пов'язаний із валовим калієм: він коливається від 1-4 мг у дерново-підзолистих глинисто-піщаних ґрунтах Полісся до 29-37 мг К₂О на 100 г ґрунту в чорноземах звичайних і південних важкосуглинкового і глинистого гранулометричного складу. Найменше забезпечені рухомим калієм ґрунти Полісся: тут переважають ґрунти з низьким і середнім вмістом калію. В  напрямку з північного заходу на південний схід в  західному  Лісостепу, де розповсюджені головним чином, легкосуглинкові сірі лісові ґрунти і чорноземи типові забезпеченість ґрунтів калієм зростає до рівня середнього і підвищеного. В лівобережному Лісостепу і степовій зоні переважають ґрунти з підвищеним і високим вмістом рухомого калію.

Вміст легкорозчинного калію в меншій мірі змінюється в різних типах ґрунтів. Більш того, при порівнянні його з обмінним калієм помічена така закономірність: його вміст в дерново-підзолистих ґрунтах всього в 3 рази менший, ніж обмінного. В ґрунтах лісостепової і степової зони це співвідношення значно розширяється (до 1:10-15), що свідчить про більш міцні зв'язки  рухомого калію в цих ґрунтах. Це підтверджується і більш високим (і відносно, і абсолютно) вмістом в цих ґрунтах необмінно-фіксованого калію: він досягає в чорноземах типових і звичайних , відповідно, 160-180 і 265-305 мг К₂О на 100 г ґрунту.

Кількість валового калію і співвідношення його головних фракцій знаходиться в тісному зв’язку з генетичними особливостями ґрунтів, вмістом і розподілом в профілі ґрунтів мулу і фізичної глини. В дерново-підзолистих і сірих лісових ґрунтах з чіткою диференціацією профілю по елювіально-ілювіальному типу відповідним перерозподілом мулистої фракції спостерігається збільшення рухомих форм калію в ілювіальних горизонтах за рахунок переміщення його  з елювіальних горизонтів.

Таблиця. Вміст і форми калію в орному шарі ґрунтів України

(А.К. Воробйова)

Наприклад, у дерново-середньо-підзолистих супіщаних ґрунтах вміст обмінного калію в елювіальному горизонті зменшується до 5.6 мг при відповідному збільшенні його в ілювіальному горизонті до 9,9 мг К₂0на 100 г ґрунту. При збільшенні мулу в легкосуглинкових дерново-підзолистих і ясно-сірих ґрунтах перерозподіл мулистої фракції в профілі виявляється значно більше, що відповідно визначає і вміст обмінного калію. В ясно-сірому опідзоленому легкосуглинковому ґрунті на лесах кількість обмінного калію в ілювіальному горизонті в 2 рази більша, ніж в елювіальному. Такий перерозподіл обмінного калію в профілі характерний для сірих і темно-сірих опідзолених ґрунтів. В меншій мірі, але досить чітко, він виявляється і в чорноземах опідзолених. В ґрунтах чорноземного ряду, в яких вміст мулу по всій глибині профілю розподіляється рівномірно, не спостерігається диференціації вмісту обмінного калію, його кількість практично однакова б усіх генетичних горизонтах.

Таблиці. Вміст фізичної глини та мулу (%) і груповий склад калію (мг К₂О на 100 г ґрунту) в дерново-середньо-підзолистих супіщаних ґрунтах

4. Калійний потенціал ґрунту

Засвоюючи калій, рослини знижують його концентрацію в ґрунтовому розчині, яка відновлюється із ҐВК за рахунок обмінного й необмінного калію. Цей процес пришвидшує підсушування і зволоження ґрунту, тому вважають, що джерелом калію для живлення рослин є всі його форми, що містяться в ґрунті. Темпи поповнення запасів водорозчинного калію за рахунок інших форм калію ґрунту зазвичай відстають від темпів його засвоєння рослинами, що зумовлює потребу застосування калійних добрив.

Калійні добрива – ефективний засіб поліпшення живлення рослин калієм, але створити оптимальний вміст його рухомих сполук у ґрунті значно складніше, ніж наприклад фосфору. Внаслідок різного складу глинистих мінералів у разі внесення калійних добрив у дерново-підзолистих ґрунтах збільшується вміст обмінних форм калію, а в чорноземах – необмінних.

За рухливістю по профілю ґрунту калій займає проміжне положення між азотом і фосфором. Тому за спроби створити оптимальний калійний режим на глинистих, важких за гранулометричним складом ґрунтах значна частина калію переходить у недоступні форми внаслідок його фіксації мінералами. На легких за гранулометричним складом ґрунтах калій добрив вимивається з орного шару, а іноді навіть за межі шару ґрунту, де знаходяться корені, в підґрунтові води.

Як уже зазначалося, в агрохімії рівень забезпеченості рослин доступним калієм виражають вмістом його рухомих форм. Проте для повнішої характеристики калійного режиму ґрунту враховують ступінь його рухливості, тобто ступінь доступності для рослин. Така оцінка ґрунтується на фізико-хімічному взаємозв'язку іонів калію, кальцію і магнію в системі ґрунт–ґрунтовий розчин і виражається через термодинамічний потенціал калію, або так званий калійний потенціал, який розглядають як чинник інтенсивності ґрунтового калію.

Під калійним потенціалом розуміють зміни вільної енергії в реакціях обміну між катіонами калію, з одного боку, та катіонами кальцію і магнію – з іншого. В системі тверда фаза ґрунту–ґрунтовий розчин за сталих температури (25 °С) і тиску (101 кПа), калійний потенціал ΔΖ° знаходять за формулою

ΔΖ0 = рК – 0,5Са,

де р – від'ємний логарифм активності іонів К+ і суми іонів Са2+ та Mg2+.

Калійний потенціал ґрунту показує можливість переходу обмінно фіксованого калію в розчин з урахуванням концентрації супутніх йому двовалентних катіонів. Що більше числове значення цього показника, то нижча здатність іонів К⁺ до переходу в розчин, а відповідно, його доступність для рослин. Оскільки отримана величина – від'ємний логарифм, то калійний потенціал є універсальним і відносно сталим показником для кожного типу ґрунту. Згідно з існуючою градацією, калійний потенціал в інтервалі 2,5-2,9 вказує на нестачу калію в ґрунті за нормальних умов живлення рослин, 1,8-2,2 – відповідає оптимальним умовам, < 1,5 – вказує на відносний надлишок цього елемента. Калійний потенціал зазвичай застосовують для повнішої характеристики калійного режиму ґрунту.